JPH03281074A - レーザ熱処理装置 - Google Patents
レーザ熱処理装置Info
- Publication number
- JPH03281074A JPH03281074A JP2078858A JP7885890A JPH03281074A JP H03281074 A JPH03281074 A JP H03281074A JP 2078858 A JP2078858 A JP 2078858A JP 7885890 A JP7885890 A JP 7885890A JP H03281074 A JPH03281074 A JP H03281074A
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- Japan
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- laser beam
- laser
- temperature
- heat treatment
- beam irradiation
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
[発明の目的]
(産業上の利用分野)
本発明は、例えばレーザ光により金属表面の硬化0合金
化等の熱処理を行うレーザ熱処理装置に係り、特に熱処
理する部キイ表面のレーザ光照射部分の温度監視を行う
ことができるレーザ熱処理装置に関する。
化等の熱処理を行うレーザ熱処理装置に係り、特に熱処
理する部キイ表面のレーザ光照射部分の温度監視を行う
ことができるレーザ熱処理装置に関する。
(従来の技術)
各種材料を熱処理する工程は各種製造業において最も基
礎的な工程の一つであり、このための熱処理装置として
は例えば電気炉がその代表的なものの−っであるが、近
年レーザ光が汎用光となり、レーザを加熱源とする熱処
理装置が実用化。
礎的な工程の一つであり、このための熱処理装置として
は例えば電気炉がその代表的なものの−っであるが、近
年レーザ光が汎用光となり、レーザを加熱源とする熱処
理装置が実用化。
市販されるようになってきた。このレーザ熱処理装置は
、電気炉に比べて、瞬時に所定温度に加熱できる点や、
材料の任意の箇所のみ選択的に加熱できる点等多くの長
所を有しており、これらの特徴を活かした活用が盛んに
行われている。例えば、鉄鋼表面にレーザ光を照射し、
表面を非晶質化して耐食性を向上させる表面処理や、溶
接、高分子材料の穴あけ、さらには光照射に伴う結晶−
非結晶転移を利用した高密度記録等、例に限りがないほ
どである。
、電気炉に比べて、瞬時に所定温度に加熱できる点や、
材料の任意の箇所のみ選択的に加熱できる点等多くの長
所を有しており、これらの特徴を活かした活用が盛んに
行われている。例えば、鉄鋼表面にレーザ光を照射し、
表面を非晶質化して耐食性を向上させる表面処理や、溶
接、高分子材料の穴あけ、さらには光照射に伴う結晶−
非結晶転移を利用した高密度記録等、例に限りがないほ
どである。
(発明が解決しようとする課題)
しかしながら、」二記したようなレーザ熱処理装置にお
いては、熱処理する部材表面のレーザ光照射部の温度を
直接的に測定する手段はなかった。
いては、熱処理する部材表面のレーザ光照射部の温度を
直接的に測定する手段はなかった。
すなわち、レーザ光照射部近傍に熱電対を設置すること
により照射部近傍の温度を測定することはできるが、照
射部そのものの温度をIf定することはできなかった。
により照射部近傍の温度を測定することはできるが、照
射部そのものの温度をIf定することはできなかった。
また、レーザ光照射部が熱処理する部材の表面で移動す
るようなレーザ熱処理を行う場合には、照射部の移動と
ともに熱電対を移動させることは難しいので、照射部の
移動に従って照射部近傍の温度を測定することも困難で
あった。しかし、材料の精密な熱処理加工を実現するた
めには、レーザ光照射部の直接的な測温を可能とするレ
ーザ熱処理装置の実現が望まれている。
るようなレーザ熱処理を行う場合には、照射部の移動と
ともに熱電対を移動させることは難しいので、照射部の
移動に従って照射部近傍の温度を測定することも困難で
あった。しかし、材料の精密な熱処理加工を実現するた
めには、レーザ光照射部の直接的な測温を可能とするレ
ーザ熱処理装置の実現が望まれている。
本発明は上記した従来技術の課題を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、試料(熱処理す
る部材)表面のレーザ光照射部そのものの温度を測定し
、レーザ光照射部が移動する場合にもこの照射部の移動
とともに照射部の温度をl!FI定することができるレ
ーザ熱処理装置を提供することにある。
れたもので、その目的とするところは、試料(熱処理す
る部材)表面のレーザ光照射部そのものの温度を測定し
、レーザ光照射部が移動する場合にもこの照射部の移動
とともに照射部の温度をl!FI定することができるレ
ーザ熱処理装置を提供することにある。
[発明の構成]
(課題を解決するための手段)
上記目的を達成するために、本発明にあっては、レーザ
光を試料表面に照射して試料表面を加熱処理するための
レーザ光発生手段を有するレーザ熱処理装置において、 前記レーザ光照射時に試料表面のレーザ光照射部から発
生する散乱線を分光する分光手段と、該分光手段により
得られる散乱線のスペクトルから該散乱線の周波数及び
強度を求め、この周波数及び強度を基にして前記レーザ
光照射部の温度を算出する温度算出手段とを備えて成る
ことを特徴とする。
光を試料表面に照射して試料表面を加熱処理するための
レーザ光発生手段を有するレーザ熱処理装置において、 前記レーザ光照射時に試料表面のレーザ光照射部から発
生する散乱線を分光する分光手段と、該分光手段により
得られる散乱線のスペクトルから該散乱線の周波数及び
強度を求め、この周波数及び強度を基にして前記レーザ
光照射部の温度を算出する温度算出手段とを備えて成る
ことを特徴とする。
(作用)
上記構成を有する本発明のレーザ熱処理装置において、
まず、レーザ光発生手段により試料表面にレーザ光を照
射すると、試料表面のレーザ光照射部から散乱線として
レイリー線、ストークス線及びアンチストークス線が発
生する。これらの散乱線は分光手段に入射して分光され
、温度算出手段はこの分光器により得られるスペクトル
からストークス線及びアンチストークス線の周波数及び
強度を求める。
まず、レーザ光発生手段により試料表面にレーザ光を照
射すると、試料表面のレーザ光照射部から散乱線として
レイリー線、ストークス線及びアンチストークス線が発
生する。これらの散乱線は分光手段に入射して分光され
、温度算出手段はこの分光器により得られるスペクトル
からストークス線及びアンチストークス線の周波数及び
強度を求める。
ここで、ストークス線及びアンチストークス線のピーク
強度(Is、Ias)の比は、レイリー線からのストー
クス線及びアンチストークス線のエネルギー差を五Wと
すれば、次式で与えられる。
強度(Is、Ias)の比は、レイリー線からのストー
クス線及びアンチストークス線のエネルギー差を五Wと
すれば、次式で与えられる。
・・・(1)
(1)式におけるWs、Wasはそれぞれストークス線
。
。
アンチストークス線の周波数、kはボルツマン定数、T
は光散乱部すなわちレーザ光照射部の温度である。
は光散乱部すなわちレーザ光照射部の温度である。
ストークス線、アンチストークス線の周波数及び強度(
Ws 、 Was、 ■s、Ias)は上記したよう
に分光手段及び温度算出手段により得られるので、温度
算出手段は得られたWs 、 Was、 I s 。
Ws 、 Was、 ■s、Ias)は上記したよう
に分光手段及び温度算出手段により得られるので、温度
算出手段は得られたWs 、 Was、 I s 。
I asの値を上記(+)式に代入することにより、レ
ーザ光照射部の温度Tを算出することができる。
ーザ光照射部の温度Tを算出することができる。
従って、レーザ光照射部近傍に熱電対等の温度検知手段
を設けることなく、照射部そのものの温度を測定するこ
とができ、また、レーザ光照射部が試料表面で移動する
場合にも、照射部の移動とともに散乱線を測定すること
は照射部近傍で熱電対等を移動させる場合に比べて比較
的容品なので、照射部の移動とともにこの照射部の温度
を測定することも可能となる。
を設けることなく、照射部そのものの温度を測定するこ
とができ、また、レーザ光照射部が試料表面で移動する
場合にも、照射部の移動とともに散乱線を測定すること
は照射部近傍で熱電対等を移動させる場合に比べて比較
的容品なので、照射部の移動とともにこの照射部の温度
を測定することも可能となる。
(実施例)
以下に、本発明の実施例を図に基づいて説明する。第1
図は本発明の一実施例のレーザ熱処理装置の構成を示す
説明図である。
図は本発明の一実施例のレーザ熱処理装置の構成を示す
説明図である。
図においてこのレーザ熱処理装置f1は、概略試料2表
面にレーザ光を照射して試料2表面を加熱処理するため
のレーザ光発生手段としてのレーザ発振器3と、レーザ
光照射時に試料2表面のレーザ光照射部2aから発生す
る散乱線を分光する分光手段としての分光器4と、分光
器4により得られる散乱線のスペクトルから散乱線の周
波数及び強度を求め、この周波数及び強度を基にしてレ
ーザ光照射部2aの温度を算出する温度算出手段として
のコンピュータ5とから成る。
面にレーザ光を照射して試料2表面を加熱処理するため
のレーザ光発生手段としてのレーザ発振器3と、レーザ
光照射時に試料2表面のレーザ光照射部2aから発生す
る散乱線を分光する分光手段としての分光器4と、分光
器4により得られる散乱線のスペクトルから散乱線の周
波数及び強度を求め、この周波数及び強度を基にしてレ
ーザ光照射部2aの温度を算出する温度算出手段として
のコンピュータ5とから成る。
分光器4はレーザ発振器3から発生するレーザ光の波長
領域の光を分光する分光器であり、分光器4に散乱線が
入射する入射面側にはスリット6が設けられている。ま
た、分光器4の出力は電気信号として増幅器7及びイン
ターフェイス8を介してコンピュータ5に入力されるよ
うになっている。
領域の光を分光する分光器であり、分光器4に散乱線が
入射する入射面側にはスリット6が設けられている。ま
た、分光器4の出力は電気信号として増幅器7及びイン
ターフェイス8を介してコンピュータ5に入力されるよ
うになっている。
例えば、レーザ発振器3から発生した周波数WOのレー
ザ光10が試料2表面に照射されると、このレーザ光照
射部2aから発生した散乱線11がスリット6を介して
分光器4に入射する。分光器4はこの散乱線11を分光
して得た散乱線11のスペクトルを、電気信号として増
幅器7、インターフェイス8を介してコンピュータ5に
送る。
ザ光10が試料2表面に照射されると、このレーザ光照
射部2aから発生した散乱線11がスリット6を介して
分光器4に入射する。分光器4はこの散乱線11を分光
して得た散乱線11のスペクトルを、電気信号として増
幅器7、インターフェイス8を介してコンピュータ5に
送る。
第2図は分光器4で測定される散乱線11のスペクトル
の一例を示しており、同図より理解されるように、熱処
理されるべき試料2のフォノン(エネルギーtiw)に
基ずくビークが、エネルギーtWoを持つレイリー散乱
線Cの両側に現れる。図中低エネルギー側に現れるビー
クAがストーク線であり、高エネルギー側に現れるビー
クBがアンチストークス線である。コンピュータ5は、
このスペクトルから上記レイリー線Cの周波数Wo 。
の一例を示しており、同図より理解されるように、熱処
理されるべき試料2のフォノン(エネルギーtiw)に
基ずくビークが、エネルギーtWoを持つレイリー散乱
線Cの両側に現れる。図中低エネルギー側に現れるビー
クAがストーク線であり、高エネルギー側に現れるビー
クBがアンチストークス線である。コンピュータ5は、
このスペクトルから上記レイリー線Cの周波数Wo 。
ビークAとビークBのビーク強度1s、Insとその周
波数Ws 、 Wasを求める。
波数Ws 、 Wasを求める。
ここで、前記(+)式を変形してレーザ光照射部の温度
Tを求める式を導くと次のようになる。
Tを求める式を導くと次のようになる。
・・・(2)
すなわち、コンピュータ5により、上記スペクトルから
得られた周波数W s 、 W as、周波数1 s、
I as。
得られた周波数W s 、 W as、周波数1 s、
I as。
及びレイリー線の周波数Woとストークス線、アンチス
トークス線の周波数Ws、Wasとから得られるレイリ
ー線からのストークス線、アンチストークス線のエネル
ギー差′FXWが(2)式に代入されて、レーザ光照射
部2aの温度Tが算出される。
トークス線の周波数Ws、Wasとから得られるレイリ
ー線からのストークス線、アンチストークス線のエネル
ギー差′FXWが(2)式に代入されて、レーザ光照射
部2aの温度Tが算出される。
次に、本実施例を具体的に説明する。
まず、レーザ発振器3として波長5145人のレーザ光
を発生するアルゴン・イオンレーザを用い、試料2とし
てシリコンウェファにダイヤモンド膜を被覆したものを
使用して、この試料2にレーザ光を照射した。このとき
レーザ光照射部2aから発生する散乱線を分光器4によ
り分光したところ、そのスペクトルは室温で1334c
v’近傍にストークス線を示した。また、試料2を加熱
し続けると1334cm−’のピーク点すなわちフォノ
ン・エネルギーはわずかながら低エネルギー側にシフト
する傾向が見られた。そのため正確に散乱線のエネルギ
ー及び強度を測定した。
を発生するアルゴン・イオンレーザを用い、試料2とし
てシリコンウェファにダイヤモンド膜を被覆したものを
使用して、この試料2にレーザ光を照射した。このとき
レーザ光照射部2aから発生する散乱線を分光器4によ
り分光したところ、そのスペクトルは室温で1334c
v’近傍にストークス線を示した。また、試料2を加熱
し続けると1334cm−’のピーク点すなわちフォノ
ン・エネルギーはわずかながら低エネルギー側にシフト
する傾向が見られた。そのため正確に散乱線のエネルギ
ー及び強度を測定した。
そして、このスペクトルからコンピュータ5によりレイ
リー線の周波数Wo 、 ストークス線、アンチスト
ークス線の周波数及びピーク強度W s 、 Was、
Is、Iasを求め、上記したように(2)式を用
いてレーザ光照射部2aの温度Tを算出した。また、比
較のために、できる限りレーザ光照射部2a近傍に設置
した熱電対によりレーザ光照射部2a近傍の温度を測定
した。第3図はこのようにして得られた温度Tと、スト
ークス線、アンチストークス線のピーク強度比R(Is
/Ias)との関係を示す図である。図中実線は上記(
2)式から得られる特性曲線、丸印の部分は熱電対によ
り得られた測定値を示す。同図かられかるように、(2
)式から得られる特性曲線と熱電対によるll?l定値
はほぼ一致した。
リー線の周波数Wo 、 ストークス線、アンチスト
ークス線の周波数及びピーク強度W s 、 Was、
Is、Iasを求め、上記したように(2)式を用
いてレーザ光照射部2aの温度Tを算出した。また、比
較のために、できる限りレーザ光照射部2a近傍に設置
した熱電対によりレーザ光照射部2a近傍の温度を測定
した。第3図はこのようにして得られた温度Tと、スト
ークス線、アンチストークス線のピーク強度比R(Is
/Ias)との関係を示す図である。図中実線は上記(
2)式から得られる特性曲線、丸印の部分は熱電対によ
り得られた測定値を示す。同図かられかるように、(2
)式から得られる特性曲線と熱電対によるll?l定値
はほぼ一致した。
このように本実施例によれば、レーザ光照射部2a近傍
に熱電対の温度検知手段を設けることになく、試料2a
に加熱処理用のレーザ光以外何らの作用を与えずに、レ
ーザ光照射部2aそのものの温度を絶対温度として極め
て正確に測定することが可能となる。レーザ光照射部2
8が試料2表面で移動するような場合には、レーザ光照
射部2aの移動とともに分光器4の散乱線入射面を移動
させる等の方法を用いて散乱線を分光することにより、
レーザ光照射部2aの移動に従ってこの温度Tを算出す
ることが可能である。
に熱電対の温度検知手段を設けることになく、試料2a
に加熱処理用のレーザ光以外何らの作用を与えずに、レ
ーザ光照射部2aそのものの温度を絶対温度として極め
て正確に測定することが可能となる。レーザ光照射部2
8が試料2表面で移動するような場合には、レーザ光照
射部2aの移動とともに分光器4の散乱線入射面を移動
させる等の方法を用いて散乱線を分光することにより、
レーザ光照射部2aの移動に従ってこの温度Tを算出す
ることが可能である。
また、上記実施例において、コンピュータ5で得られた
温度Tのデータをレーザ発振器3の制御部(図示せず)
にフィードバックさせて、レーザ光照射部2aの温度に
応じてレーザ発振器3にょるレーザ光照射を制御するこ
とも可能である。
温度Tのデータをレーザ発振器3の制御部(図示せず)
にフィードバックさせて、レーザ光照射部2aの温度に
応じてレーザ発振器3にょるレーザ光照射を制御するこ
とも可能である。
本実施例装置を用いれば、レーザ光照射部そのものの温
度を正確に測定して、高精度でレーザ熱処理加工を行う
ことができる。例えば、金属表面の焼入等の硬化1合金
化、クラツデイング、グレージング等の加熱表面処理を
行う場合には、レーザ光照射部そのものの温度が所定範
囲内にあるように監視して、高精度で加熱処理を行うこ
とができる。
度を正確に測定して、高精度でレーザ熱処理加工を行う
ことができる。例えば、金属表面の焼入等の硬化1合金
化、クラツデイング、グレージング等の加熱表面処理を
行う場合には、レーザ光照射部そのものの温度が所定範
囲内にあるように監視して、高精度で加熱処理を行うこ
とができる。
また、有機物、半導体、セラミックス等の非金属にレー
ザによる加熱加工処理を行う場合にも、レーザ光照射部
そのものを正確に測温することにより、高精度で加熱処
理を行うことができる。例えば、A!LNセラミックス
にレーザスクライブ等のレーザ加]二処理を行った後セ
ラミックス表面に金属膜の形成を行う場合には、レーザ
光が照射された部分が金属化してこの部分にめっき膜が
付着することが多いという問題があるが、レーザ光が照
射された部分が金属化するか否かはそのときのレーザ光
照射部の温度に微妙に左右されることがわかっている。
ザによる加熱加工処理を行う場合にも、レーザ光照射部
そのものを正確に測温することにより、高精度で加熱処
理を行うことができる。例えば、A!LNセラミックス
にレーザスクライブ等のレーザ加]二処理を行った後セ
ラミックス表面に金属膜の形成を行う場合には、レーザ
光が照射された部分が金属化してこの部分にめっき膜が
付着することが多いという問題があるが、レーザ光が照
射された部分が金属化するか否かはそのときのレーザ光
照射部の温度に微妙に左右されることがわかっている。
すなわち、このような場合に本実施例装置を用いてレー
ザ光照射部そのものの温度を正確に測定することにより
、レーザ光照射時の条件を調整してAiN表面の金属化
を防ぎ、良好な膜形成を行うことが可能となる。
ザ光照射部そのものの温度を正確に測定することにより
、レーザ光照射時の条件を調整してAiN表面の金属化
を防ぎ、良好な膜形成を行うことが可能となる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく種
々変形実施が可能である。例えば上記実施例においては
ヒートモードのレーザ熱処理装置を例にとったが、フォ
トンモードにより試料の加工、処理を行うレーザ加工・
処理装置も適用可能である。
々変形実施が可能である。例えば上記実施例においては
ヒートモードのレーザ熱処理装置を例にとったが、フォ
トンモードにより試料の加工、処理を行うレーザ加工・
処理装置も適用可能である。
[発明の効果]
本発明のレーザ熱処理装置は以上の構成及び作用を有す
るもので、レーザ光照射部近傍に熱電対等の温度検知手
段を設けることなく、この照射部そのものの温度を測定
することが可能となり、また、レーザ光照射部が試料表
面で移動する場合にも、この照射部の移動とともに照射
部の温度を測定することが可能となる。
るもので、レーザ光照射部近傍に熱電対等の温度検知手
段を設けることなく、この照射部そのものの温度を測定
することが可能となり、また、レーザ光照射部が試料表
面で移動する場合にも、この照射部の移動とともに照射
部の温度を測定することが可能となる。
従って、本発明装置を用いて金属の表面処理等の加熱処
理や非金属の加熱加工処理を行えば、処理時のレーザ光
照射部そのものの温度を正確にIll定して、高精度で
レーザ熱処理を行うことができ、その工業的価値は極め
て大である。
理や非金属の加熱加工処理を行えば、処理時のレーザ光
照射部そのものの温度を正確にIll定して、高精度で
レーザ熱処理を行うことができ、その工業的価値は極め
て大である。
第1図は本発明の一実施例のレーザ熱処理装置の構成を
概略的に示す説明図、第2図は同実施例で得られる散乱
線のスペクトルの一例を示す図、第3図は同実施例で得
られたレーザ光照射部の温度とストークス線、アンチス
トークス線のピーク強度比との関係を示す図である。 1・・・レーザ熱処理装置 2・・・試料 2a・・・レーザ光照射部 3・・・レーザ発振器(レーザ光発生手段)4・・・分
光器 (分光手段) 5・・・コンピュータ (温度算出手段)
概略的に示す説明図、第2図は同実施例で得られる散乱
線のスペクトルの一例を示す図、第3図は同実施例で得
られたレーザ光照射部の温度とストークス線、アンチス
トークス線のピーク強度比との関係を示す図である。 1・・・レーザ熱処理装置 2・・・試料 2a・・・レーザ光照射部 3・・・レーザ発振器(レーザ光発生手段)4・・・分
光器 (分光手段) 5・・・コンピュータ (温度算出手段)
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 レーザ光を試料表面に照射して試料表面を加熱処理する
ためのレーザ光発生手段を有するレーザ熱処理装置にお
いて、 前記レーザ光照射時に試料表面のレーザ光照射部から発
生する散乱線を分光する分光手段と、該分光手段により
得られる散乱線のスペクトルから該散乱線の周波数及び
強度を求め、この周波数及び強度を基にして前記レーザ
光照射部の温度を算出する温度算出手段とを備えて成る
ことを特徴とするレーザ熱処理装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2078858A JPH03281074A (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | レーザ熱処理装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2078858A JPH03281074A (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | レーザ熱処理装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03281074A true JPH03281074A (ja) | 1991-12-11 |
Family
ID=13673529
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2078858A Pending JPH03281074A (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | レーザ熱処理装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03281074A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000015864A1 (en) * | 1998-09-11 | 2000-03-23 | Japan Science And Technology Corporation | Laser heater |
-
1990
- 1990-03-29 JP JP2078858A patent/JPH03281074A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000015864A1 (en) * | 1998-09-11 | 2000-03-23 | Japan Science And Technology Corporation | Laser heater |
| US6617539B1 (en) | 1998-09-11 | 2003-09-09 | Japan Science And Technology Kawaguchi | Laser heating apparatus |
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